Jak działa pompa ciepła?

Najważniejsze informacje:

• Pompa ciepła pobiera energię cieplną z otoczenia (powietrza, gruntu lub wody) i przenosi ją do domowej instalacji grzewczej
• Proces działa w cyklu: odparowanie, sprężanie, oddanie ciepła i obniżenie ciśnienia czynnika
• Pompy ciepła charakteryzują się wysoką efektywnością energetyczną (klasy A+, A++, A+++)
• Mogą służyć do ogrzewania budynków, podgrzewania wody i chłodzenia pomieszczeń
• Występują w różnych typach: powietrzne, gruntowe, wodne, w wersjach monoblok lub split

Na skróty:

• Zasada działania pompy ciepła
• Proces pracy pompy ciepła
• Budowa systemu pompy ciepła
• Rodzaje pomp ciepła
• Efektywność energetyczna
• Zastosowania pomp ciepła
• Pompy ciepła powietrzne
• Pompy ciepła gruntowe
• Korzyści z użytkowania pomp ciepła

Pompa ciepła to urządzenie, które przenosi energię cieplną z jednego miejsca do drugiego. W przeciwieństwie do tradycyjnych systemów grzewczych, pompa ciepła nie wytwarza ciepła poprzez spalanie paliwa lub przekształcanie energii elektrycznej. Zamiast tego, pobiera ciepło z otoczenia i przekazuje je do systemu grzewczego budynku. Ten proces pozwala na znaczną oszczędność energii i redukcję kosztów ogrzewania. Pompy ciepła działają podobnie do lodówek, ale w odwrotnym kierunku – zamiast chłodzić wnętrze i oddawać ciepło na zewnątrz, pobierają ciepło z zewnątrz i dostarczają je do wnętrza budynku.

Zasada działania pompy ciepła

Podstawowa zasada działania pompy ciepła opiera się na wykorzystaniu zjawisk fizycznych związanych z przemianami fazowymi czynnika roboczego. Pompa ciepła wykorzystuje naturalne ciepło zawarte w otoczeniu – powietrzu, gruncie lub wodzie. To ciepło, choć o niskiej temperaturze, jest przechwytywane i przenoszone do instalacji grzewczej w budynku.

Kluczowym elementem tego procesu jest czynnik roboczy (refrigerant) krążący w zamkniętym układzie pompy ciepła. Czynnik ten ma bardzo niską temperaturę wrzenia, co pozwala mu pobierać ciepło nawet z chłodnych źródeł zewnętrznych. Dzięki temu pompa ciepła może działać efektywnie nawet przy niskich temperaturach zewnętrznych, czasem sięgających -20°C.

Pompa ciepła działa wbrew naturalnemu przepływowi ciepła, które zawsze przemieszcza się z obszarów cieplejszych do chłodniejszych. Aby to umożliwić, urządzenie wymaga pewnego nakładu energii elektrycznej, głównie do napędzania sprężarki. Jednak ilość energii elektrycznej potrzebnej do pracy jest znacznie mniejsza niż ilość ciepła, którą pompa dostarcza do budynku.

Proces pracy pompy ciepła

Cykl pracy pompy ciepła składa się z czterech głównych etapów, które tworzą zamknięty obieg:

1. Odparowanie – Czynnik roboczy w stanie ciekłym przechodzi przez parownik, gdzie odbiera ciepło z otoczenia (powietrza, gruntu lub wody). Dzięki niskiej temperaturze wrzenia, czynnik odparowuje, przechodząc w stan gazowy.

2. Sprężanie – Gazowy czynnik trafia do sprężarki, gdzie jego ciśnienie i temperatura znacząco wzrastają. Ten etap wymaga dostarczenia energii elektrycznej do napędu sprężarki.

3. Skraplanie – Gorący, sprężony gaz przepływa przez skraplacz, gdzie oddaje ciepło do instalacji grzewczej budynku (np. do wody w systemie ogrzewania podłogowego lub grzejnikowego). W wyniku oddania ciepła, czynnik roboczy ochładza się i skrapla, powracając do stanu ciekłego.

4. Rozprężanie – Ciekły czynnik przechodzi przez zawór rozprężny, gdzie jego ciśnienie gwałtownie spada. To powoduje również spadek temperatury czynnika, przygotowując go do ponownego pobrania ciepła w parowniku.

Ten cykl powtarza się nieprzerwanie, zapewniając stałe dostarczanie ciepła do budynku. Cały proces jest kontrolowany przez zaawansowane systemy sterowania, które optymalizują pracę pompy ciepła w zależności od warunków zewnętrznych i potrzeb cieplnych budynku.

Budowa systemu pompy ciepła

Kompletny system pompy ciepła składa się z trzech głównych elementów:

1. System źródła ciepła – To część odpowiedzialna za pobieranie energii cieplnej ze środowiska. W zależności od rodzaju pompy ciepła, może to być wymiennik gruntowy (poziomy lub pionowy), wężownice zanurzone w wodzie lub wymiennik powietrzny.

2. Właściwa pompa ciepła – To centralna jednostka systemu, zawierająca wszystkie kluczowe komponenty: sprężarkę, parownik, skraplacz i zawór rozprężny. Tu zachodzi właściwy proces transformacji energii.

3. System dystrybucji i magazynowania ciepła – Ta część odpowiada za rozprowadzanie ciepła po budynku i jego ewentualne magazynowanie. Może to być instalacja ogrzewania podłogowego, grzejniki lub klimakonwektory oraz zasobnik ciepłej wody użytkowej.

Każdy z tych elementów musi być odpowiednio dobrany i zintegrowany, aby system działał wydajnie i niezawodnie. Właściwe zaprojektowanie systemu jest kluczowe dla osiągnięcia optymalnej efektywności energetycznej i komfortu cieplnego.

Rodzaje pomp ciepła

Pompy ciepła można klasyfikować według różnych kryteriów:

Według źródła ciepła:

• Pompy ciepła powietrze-woda – pobierają ciepło z powietrza atmosferycznego
• Pompy ciepła grunt-woda (gruntowe) – pobierają ciepło zgromadzone w gruncie
• Pompy ciepła woda-woda – pobierają ciepło ze zbiorników wodnych lub wód gruntowych
• Pompy ciepła powietrze-powietrze – pobierają ciepło z powietrza i przekazują je bezpośrednio do powietrza w pomieszczeniach

Według konstrukcji:

• Pompy typu monoblok – wszystkie elementy układu chłodniczego znajdują się w jednej obudowie, zwykle montowanej na zewnątrz budynku
• Pompy typu split – układ podzielony jest na jednostkę zewnętrzną (z parownikiem i sprężarką) oraz wewnętrzną (ze skraplaczem)

Każdy rodzaj pompy ciepła ma swoje zalety i wady, a wybór odpowiedniego typu zależy od warunków lokalnych, charakterystyki budynku oraz indywidualnych preferencji użytkownika.

Efektywność energetyczna

Efektywność pompy ciepła określa się za pomocą współczynnika COP (Coefficient Of Performance) lub SCOP (Seasonal Coefficient Of Performance). COP to stosunek ilości dostarczonego ciepła do ilości zużytej energii elektrycznej. Na przykład, COP równy 4 oznacza, że pompa ciepła dostarcza 4 kWh energii cieplnej, zużywając tylko 1 kWh energii elektrycznej.

Współczesne pompy ciepła osiągają bardzo wysokie wskaźniki efektywności, czego dowodem są ich klasy energetyczne A+, A++ lub nawet A+++. Efektywność zależy od wielu czynników:

• temperatury źródła ciepła (im wyższa, tym lepsza efektywność)
• temperatury systemu grzewczego (im niższa, tym lepsza efektywność)
• jakości komponentów i konstrukcji pompy
• warunków pracy i poprawności montażu

Pompy ciepła najlepiej współpracują z niskotemperaturowymi systemami grzewczymi, takimi jak ogrzewanie podłogowe, które może działać efektywnie przy temperaturze wody 35-40°C.

Zastosowania pomp ciepła

Pompy ciepła są wszechstronnymi urządzeniami, które mogą pełnić kilka funkcji:

1. Ogrzewanie budynków – podstawowe zastosowanie, pompa ciepła może stanowić jedyne źródło ciepła lub współpracować z istniejącym systemem grzewczym

2. Podgrzewanie wody użytkowej – większość pomp ciepła może produkować ciepłą wodę użytkową, niektóre modele są specjalnie zaprojektowane do tego celu

3. Chłodzenie pomieszczeń – wiele modeli pomp ciepła może działać w trybie odwróconym, zapewniając chłodzenie w upalne dni

4. Podgrzewanie wody basenowej – pompy ciepła mogą efektywnie utrzymywać odpowiednią temperaturę wody w basenie, znacznie obniżając koszty w porównaniu do grzałek elektrycznych

Ta wielofunkcyjność sprawia, że pompy ciepła są atrakcyjnym rozwiązaniem dla nowoczesnego budownictwa, gdzie jeden system może zaspokoić wiele potrzeb energetycznych budynku.

Pompy ciepła powietrzne

Pompy ciepła powietrze-woda są obecnie najczęściej instalowanym typem pomp ciepła ze względu na relatywnie niskie koszty instalacji i prostotę montażu. Ich działanie polega na pobieraniu ciepła z powietrza atmosferycznego za pomocą wentylatora, który zasysa powietrze przez parownik.

Nowoczesne modele tych pomp mogą efektywnie działać nawet przy temperaturach zewnętrznych sięgających -25°C, choć ich wydajność spada wraz ze spadkiem temperatury. Pompy powietrzne są montowane na zewnątrz budynku lub w jego pobliżu, wymagają jedynie podłączenia do instalacji elektrycznej i systemu grzewczego.

Główne zalety pomp ciepła powietrznych to:

• Niższe koszty inwestycyjne w porównaniu do pomp gruntowych
• Brak konieczności wykonywania odwiertów lub wykopów
• Łatwość i szybkość montażu
• Możliwość instalacji praktycznie w każdym budynku

Pompy ciepła gruntowe

Pompy ciepła grunt-woda wykorzystują ciepło zgromadzone w gruncie, które pozostaje na względnie stałym poziomie przez cały rok na odpowiedniej głębokości. Ten typ pomp wymaga instalacji wymiennika gruntowego, który może mieć formę:

• poziomą – rurki ułożone poziomo na głębokości 1,2-1,8 m
• pionową – sondy wprowadzone w odwierty o głębokości 30-200 m

Pompy gruntowe charakteryzują się najwyższą stabilnością działania, ponieważ temperatura gruntu na odpowiedniej głębokości jest praktycznie niezmienna i nie zależy od warunków pogodowych. Dzięki temu osiągają one bardzo wysoką efektywność energetyczną przez cały rok.

Instalacja pompy gruntowej wymaga jednak większych nakładów finansowych oraz odpowiednich warunków terenowych. Wymiennik poziomy potrzebuje dużej powierzchni działki, a wymiennik pionowy wiąże się z koniecznością wykonania kosztownych odwiertów.

Korzyści z użytkowania pomp ciepła

Rosnąca popularność pomp ciepła wynika z licznych korzyści, jakie oferują:

1. Wysoka efektywność energetyczna – pompy ciepła zużywają znacznie mniej energii niż tradycyjne systemy grzewcze, co przekłada się na niższe rachunki za energię

2. Przyjazność dla środowiska – pompy ciepła redukują emisję CO2, zwłaszcza gdy są zasilane energią elektryczną z odnawialnych źródeł

3. Bezpieczeństwo i komfort użytkowania – brak procesu spalania eliminuje ryzyko zatrucia czadem, a praca urządzenia jest cicha i bezobsługowa

4. Wszechstronność – możliwość ogrzewania, chłodzenia i produkcji ciepłej wody w jednym systemie

5. Długowieczność – pompy ciepła charakteryzują się długim okresem eksploatacji, często przekraczającym 20 lat

6. Niezależność od paliw kopalnych – uniezależnienie się od dostaw gazu, oleju opałowego czy węgla

Pompy ciepła stanowią nowoczesne i przyszłościowe rozwiązanie grzewcze, które wpisuje się w trend budownictwa energooszczędnego i zrównoważonego.